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國小自然「水溶液」單元延伸實驗
—利用海藻酸鈉製作有色溶液的酸鹼指示晶球
林沛瑩
新北市三重區五華國小
臺北教育大學自然科學教育學系科學探究與實作碩士在職專班
■前言
在課堂實驗的過程中,學生偶然的發現紫色高麗菜汁滴在可樂中,顏色還是黑色,此時,學生一片嘩然地討論著,並思考如何用紫色高麗菜汁來觀察到可樂的酸鹼性。
因為可樂是含有顏色的飲料,所以使用紫色高麗菜汁會較難觀察,而我們也較難將可樂變成透明無色的,於是靈光乍現,突然想到之前指導的科展作品有做過「海藻酸鈉晶球」,若是利用晶球包覆的原理,應該可以使可樂的色素不會影響到紫色高麗菜汁,進而讓顏色的變化更加明顯。
於是本文作者設計了一系列的酸鹼課程,將海藻酸鈉晶球融入在國小課程中,讓學生再觀察水溶液的酸鹼性時,不會受到水溶液本身顏色的限制,進而可以透過日常生活中的指示劑來進行觀察。
■課程目標
本次課程的學習目標如下:
1. 學生能以安全的方式觀察未知溶液。
2. 學生能運用器材檢測水溶液的酸鹼性。
3. 學生能製作出海藻酸鈉晶球
4. 學生能說出製作海藻酸鈉晶球的原理
5. 學生能製作出紫色高麗菜汁晶球
6. 學生能運用紫色高麗菜汁晶球檢測水溶液的酸鹼性
7. 學生能運用紫色高麗菜汁晶球製作出變色晶球果汁
■活動所需器材
課程活動所需物品器材如下:
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l 小提醒:最後製作出來的晶球讓學生可以吃看看,所以在活動六進行時要使用一般廚房使用的廚具來進行實驗。因此這堂課的容器要使用乾淨且全新的塑膠杯來進行。
■教學活動
本次教學活動從基礎到應用,共設計六個活動。
【活動一、認識酸鹼】
1. 教師準備幾種生活中常見的水溶液,例如:醋、小蘇打水等。
2. 請學生用視覺、嗅覺來觀察水溶液,接著再請學生進行發表。
(實驗安全提醒:不知名的水溶液,千萬不能用口嘗或與皮膚接觸)
【活動二、檢測酸鹼】
1. 教師準備不同酸鹼性的水溶液,例如:醋、汽水、食鹽水、食鹽水、小蘇打水等。
2. 發下紅色、藍色石蕊試紙讓學生進行水溶液的檢測,如圖1所示,並讓學生將實驗結果紀錄下來,如表1所示。
3. 請學生將石蕊試紙的實驗結果分成三類,教師講解這三類的含意,並對酸性、中性、鹼性下操作型定義。
(1) 酸性:紅色石蕊試紙不變色,藍色石蕊試紙變紅色。
(2) 中性:紅色石蕊試紙不變色,藍色石蕊試紙不變色。
(3) 鹼性:紅色石蕊試紙變藍色,藍色石蕊試紙不變色。
4. 接著,再使用紫色高麗菜汁、廣用試紙來進行水溶液的檢測,並讓學生將實驗結果紀錄下來,如表1所示。
圖1、學生使用石蕊試紙檢測酸鹼性
表1:學生進行水溶液酸鹼性檢測的實驗結果
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【活動三、製作海藻酸鈉晶球】
1. 教師示範實驗:將海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣溶液中,學生即可觀察到一顆一顆的晶球。
2. 請學生回想生活中自身的經驗,並請學生發表。接著,播放海藻酸鈉晶球成形的影片,讓學生更了解海藻酸鈉形成晶球的過程。
(影片:https://www.youtube.com/watch?v=_dQ9QIHdQqI)
3. 請學生思考會形成晶球的原因,讓學生小組討論並進行預測,最後記錄下來。
4. 讓學生進行探究實驗,認為「鈣」是形成晶球的主要原因的小組,可以選擇「乳酸鈣」來進行實驗;認為「氯」是形成晶球的主要原因的小組,可以選擇「氯化鈉」,如圖2所示。
5. 接著,請學生分享實驗結果。最後,教師歸納出海藻酸鈉與氯化鈣的反應。
圖2、學生製作海藻酸鈉晶球
6. 此原理是高分子海藻酸鈉中的鈉離子被鈣離子取代,讓海藻酸鈉分子之間的羧酸離子,在分子間有更強的聯結性(交聯作用,cross-linking),形成一種具有半透膜的結構。
【活動四、製作紫色高麗菜汁晶球】
1. 將海藻酸鈉溶液混合紫色高麗菜汁,調配出紫色高麗菜汁的海藻酸鈉溶液。
2. 將紫色高麗菜汁的海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣中,製作出紫色高麗菜汁晶球,如圖3所示。
3. 將紫色高麗菜汁晶球放在酸性、中性、鹼性溶液,觀察顏色變化,並記錄在學習單上,如圖4、圖5、圖6、圖7所示。
圖3、學生製作紫色高麗菜汁晶球圖4、紫色高麗菜汁晶球放入不同水溶液中
圖5、放入鹼性溶液中圖6、放入中性溶液中圖7、放入酸性溶液中
【活動五、用紫色高麗菜汁晶球來檢測水溶液】
1. 請學生製作紫色高麗菜汁晶球,如圖8、圖9所示。
2. 準備各種不同有顏色的飲料,如圖10所示。
3. 將紫色高麗菜汁晶球泡在可食用且有顏色的飲料中,使晶球變色,並將實驗結果紀錄下來,如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。
4. 使用石蕊試紙及廣用試紙檢測飲料的酸鹼性,並記錄下來,如表2所示。
圖8、學生製作紫色高麗菜汁晶球圖9、滴入情形圖10、有顏色飲料
圖11、晶球放入果汁中圖12、放入果汁後,變成偏紅色
圖13、晶球放入奶茶中圖14、放入奶茶後,變成偏藍色
圖15、晶球放入沙士中圖16、放入沙士後,變成偏紅色
表2、學生進行有顏色飲料酸鹼性檢測的實驗結果
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【活動六、用紫色高麗菜汁晶球製作晶球飲料】
1. 請學生使用塑膠杯裝紫色高麗菜汁,加入海藻酸鈉後,進行攪拌,如圖17所示。
2. 使用乾淨的杯子調配氯化鈣水溶液,並用全新的滴管或湯匙製作出紫色高麗菜汁晶球。
l 小提醒:要使用乾淨且全新的杯子來裝紫色高麗菜汁,且要使用全新的滴管來滴成晶球。
3. 讓學生將製作出來的紫色高麗菜汁晶球放入到自己帶來的飲料中,以製作出不同顏色晶球的飲料。
4. 請學生分享自己所做出的晶球飲料,並說出自己的製作過程,如圖18所示。
圖17、用乾淨的杯子裝水溶液圖18、學生分享自己的製作過程
■學生課後心得
小升:這個實驗讓我學到海藻酸鈉加氯化鈣會變成海藻酸鈉晶球,很有趣!以後我也可以在家裡嘗試做實驗,在海藻酸鈉中加入不同的水溶液,製作成不同的晶球。回家後,我可以跟家人分享這次的實驗,如果我做給他們看,他們一定會很驚訝!
小蘭:原來海藻酸鈉滴入氯化鈣中,會形成薄薄的膜狀。而含有紫色高麗菜汁的海藻酸鈉滴入氯化鈣中時,會形成一顆一顆的紫色高麗菜汁晶球,放在不同酸鹼的水溶液中,晶球就會慢慢變色,真的很神奇!最後,製作出彩色晶球飲料後,很開心!大家的飲料都不一樣耶!
小昀:之後,我們要挑戰製作一顆很大顆的晶球,若是使用超大的湯匙,在湯匙上放含有紫色高麗菜汁的海藻酸鈉,並放入氯化鈣中,應該可以形成很大顆的晶球吧!
小洋:在課堂上,可樂很難透過紫色高麗菜汁來觀察變色,當加入紫色高麗菜汁晶球後,可以發現晶球的變色較明顯。之後,我想試試看生活中其他有顏色的飲料有哪些可以使晶球變色。
小萱:紫色高麗菜汁晶球做成的果汁好有趣!看到晶球變色的瞬間,好驚喜!吃下去的感覺好特別,晶球內的汁會在嘴巴中流出來,之後我要偷偷加點糖,這樣晶球內的汁會比較甜。
小玲:我們這組偷偷製作一顆大顆的晶球,結果放入醋中,晶球的顏色變化很明顯,很好玩!我們最後將大顆的晶球壓破,發現裡面有汁跑出來,還有一層透明的薄膜。
從學生在學習單上撰寫的回饋中,大部分以正向的居多。很多學生都有提到製作晶球是很有趣的,觀察到晶球顏色變化的那一刻更是好玩。大部分學生提到製作晶球飲料很好玩,還可以測試飲料的酸鹼性。透過晶球結合水溶液的單元,讓學生可以使用簡單的酸鹼指示晶球來判斷水溶液的酸鹼性,讓學生從生活中來進行學習,同時豐富教學的內容。
■教師教學省思
紫色高麗菜汁與海藻酸鈉的混合較不容易,故可以先海藻酸鈉與少量的熱水混合,並持續攪拌使海藻酸鈉溶解,若是有些塊狀的海藻酸鈉較難溶解時,可以使用攪拌棒將塊狀的海藻酸鈉壓至杯子邊緣,也可以促使海藻酸鈉較快溶解。接著,使用瓦斯爐煮紫色高麗菜汁,熬煮出來的紫色高麗菜汁顏色會較深,再加到海藻酸鈉溶液中進行混合,即可調成含有紫色高麗菜的海藻酸鈉溶液。
在製作紫色高麗菜汁晶球時,需要叮嚀學生的衛生習慣,提醒學生要事先用肥皂將手洗乾淨,並用酒精消毒,過程中不可以碰觸到水溶液,以免汙染到水溶液。攪拌的容器需要選擇可食用且乾淨的容器,不要使用自然教室有做過實驗的燒杯,有可能燒杯會洗不乾淨而影響到學生的健康。建議選擇一次性的乾淨塑膠杯,用完即丟環保又衛生。
在講解「交聯反應」時,需要使用圖示搭配影片來進行講解,也可以透過肢體活動的部分,讓學生更了解晶球如何形成薄膜狀的。
在歷屆科展中,鄭元瑍、曹媛婷、鄭媛媜、曹宸浩(2020)他們製作不同酸鹼的果凍,他們的作法是將酸鹼指示劑加入到吉利丁中,在吉利丁還沒凝固的過程中,再加入不同酸鹼性的水溶液,使其顏色改變,最後再等果凍凝固後,即可完成不同顏色的果凍。該篇科展的製作方式是採取先讓含有吉利丁的酸鹼指示劑變色後,再製作出不同顏色的果凍。本次教學與這篇科展不同的地方是對於有色溶液檢測的即時性,酸鹼指示劑晶球可以檢測有顏色的溶液,但此篇科展先將含有吉利丁的酸鹼指示劑滴到不同的水溶液中,故顏色的變化還是會受到水溶液本身顏色的干擾。
讓學生自製晶球飲料時,可以讓學生帶各種有顏色的飲料,同時可以準備小塑膠杯,每組都可以分到一點不同的飲料,可以增加實驗的豐富度,也可以讓學生從生活中觀察科學。
■結語
課本上的酸鹼指示劑實驗大多是選擇透明的液體來進行測試,實際在課堂上操作後發現,將酸鹼指示劑滴入有顏色的液體中,有顏色的液體會因為自己本身的顏色而影響顏色的判斷,故有顏色的液體大多只能使用pH計或石蕊試紙來進行檢測。
於是,我蒐集了相關的科展資料,找到很多有關海藻酸鈉晶球的科展,同時也回想起去年帶的晶球科展,於是,我將科展內容融入到「水溶液」單元中,思考酸鹼指示劑應用在課堂的可行性。後來,我設計了一系列的課程,將海藻酸鈉晶球帶入到課堂中,除了讓學生可以了解到分子的概念外,也可以利用海藻酸鈉晶球膜是半透膜的特性,色素分子無法進入到海藻酸鈉晶球的膜裡面,進而可以觀察到海藻酸鈉晶球的變色狀況。
在課堂中,學生露出專注的眼神注意每個步驟,且認真的操作,過程中驚呼聲不斷。當海藻酸鈉滴入到氯化鈣中時,學生露出驚訝的表情,也樂在其中的參與實驗。最後,將紫色高麗菜汁晶球放入有顏色的飲料中時,學生露出開心的表情,當撈出晶球的那一刻,學生看到晶球的顏色不一樣時,露出訝異的表情。我想教學的快樂就是讓學生能樂在學習中。
透過不同的檢測材料,讓學生能熟悉實驗操作與了解各種生活中材料的酸鹼性,並且結合晶球實驗讓學生進行探究,從中發現指試劑晶球變色的狀況。
■謝誌
在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系109學年度第1學期化學特論(一)周金城教授與全體同學協助,提供本文架構調整與內文修正之意見,在此謹深摯謝忱。
■參考資料
一、書面資料
1. 黃姵瑀、曹家豪、吳沛璇、林璟醇(2003)。小小晶球真奇妙。中華民國的第 43 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/43/pdf/d/030201.pdf。
2. 周佳穎、徐芷齊、汪瑞環(2003)。「晶」益「球」精。中華民國第 43 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=640
3. 湯宣擎(2015)。晶球世紀。中華民國的第 55 屆全國中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10459
4. 吳佳蓉、陳彥劭、吳郁婷(2016)。目不轉「晶」-探討海藻酸鈉薄膜的形成與其相關應用。中華民國的第 56 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10817
5. 魏珮芯、吳政緯、王滋頎(2016)。彩虹晶球-鳳梨珍珠之研發。中華民國的第 56 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10981
6. 伍亭蓉、黃子恒、葉小嘉、陳苡亘(2018)。鈣多晶球。中華民國的第 58 屆中小學科學展覽作品。取自國立台灣科學教育館http://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=11962
7. 鄭元瑍、曹媛婷、鄭媛媜、曹宸浩(2020)。「凍」顏花漾–在地植物試酸鹼。中華民國的第 58 屆中小學科學展覽作品。取自國立台灣科學教育館https://reurl.cc/Oq2mn3
二、網路資料
1. 國立台中教育大學NTCU科學教育與應用學系科學遊戲實驗室。晶球原理。取自http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-019.html
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